海上聚合物驅油田產出液處理研究進展*

劉少鵬，徐 超，蘇偉明，魏 強，劉 洋

（1.中海油（天津）油田化工有限公司，天津 300452；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；3.中國石油長城鉆探工程有限公司錄井公司，遼寧盤錦 124010）

渤海SZ36-1油田自2003 年開始實施聚合物驅提高采收率技術，并于2010年實施全面注入聚合物（簡稱注聚），取得良好的連續降水增油效果［1］。渤海JZ9-3 油田自2007 年開始實施聚合物驅（簡稱聚驅）提高采收率技術，并于2010年開始轉為聚合物/表面活性劑（簡稱聚/表）二元復合驅，有效降低了油井含水上升速度，確保了油田長期穩產［2-3］。隨著渤海油田注聚規模進一步擴大，油井產出液聚合物濃度呈現上升趨勢，開始出現油水分離困難、含聚合物（簡稱含聚）污水處理難度大、聚合物膠結物堵塞設備、油田集輸化學藥劑濃度不斷升高、注水水質超標等問題，成為制約海上油田聚驅推廣應用的主要瓶頸。海上聚驅油田處理含聚產出液效果不佳的主要原因為：油水分離器實際溫度達不到設計要求、海上平臺空間限制導致物流在油水處理設備中停留時間過短、污水處理過程形成的含聚污油泥對流程產生二次污染、陽離子型清水劑與驅油用聚合物發生膠結反應形成黏彈性膠狀物［4］。

海上聚驅油田受自然環境限制，海上平臺油水處理設備小、流程停留時間短、采出液性質復雜、油水處理指標相對嚴苛，導致海上聚驅油田含聚采出液處理技術難度大大超過陸地聚驅油田。陸地聚驅油田油水處理設施體積大、停留時間長，能充分發揮停留時間長的優勢，在油水處理劑方面可選擇成本相對低廉的藥劑。因此，近年陸地聚驅油田產出液處理技術研究主要集中在對含聚產出液乳狀液穩定性、含聚污水處理技術、高效油水處理設備研究等方面的研究，與目前海上聚驅產出液處理技術研究的內容略有不同，但也為聚驅實施時間相對較晚的海上油田聚驅采出液處理提供了重要思路。為了進一步了解國內海上油田聚驅產出液處理技術進展及存在的問題，本文分別從海上油田聚驅產出液油水分離、含聚污水處理、含聚油泥處理、油水井解堵等方面存在的問題及相關研究進展進行分析探討。

1 海上油田聚驅對油水分離的影響

1.1 海上聚驅產出液油水分離存在的問題

渤海SZ36-1油田為聚驅稠油油田，2019年測得油樣中聚合物的質量濃度為110 mg/L，50 ℃下地面原油密度和黏度分別為0.949 g/cm3、851.9 mPa·s，凝固點為-8 ℃，含硫0.372%、蠟2.93%、瀝青質8.45%、膠質17.37%，特點為原油密度大、黏度高、膠質和瀝青質含量高；JZ9-3油田為聚/表二元驅油田，2019年測得油樣中聚合物的質量濃度為365 mg/L，50 ℃下地面原油密度和黏度分別為0.924 g/cm3、119.7 mPa· s，凝固點為-22 ℃，含硫0.248%、蠟4.02%、瀝青質5.03%、膠質14.6%，特點為產液聚合物濃度高、蠟含量高。由于海上聚驅油田產出液成分復雜，油水乳化嚴重，形成的乳狀液穩定性強，導致油水分離難度大。

魏強等［5］研究發現瀝青在原油中以膠體形式存在，瀝青膠體由膠束組成，而膠束內部是瀝青核，瀝青膠體被膠質包圍，瀝青在含聚稠油中主要以具有剛性的交聯網絡形式向油水界面聚集，形成穩定的乳狀液。為了研究海上油田聚驅產出液對油水分離效果的影響，魏強等［6］研究了不同類型聚合物對原油產出液油水分離的影響規律，發現具有表面活性的聚合物會大幅增加聚驅產出液的處理難度，而不具有表面活性的聚合物對油水分離影響的程度相對較小，并建議從海上驅油用聚合物選型階段開始即考慮聚合物種類對產出液處理的影響，同時推薦驅油用聚合物優先選擇線性聚合物。張健等［7-8］發現疏水締合部分水解聚丙烯酰胺（AP-P4）具有兩親結構特點，與普通部分水解聚丙烯酰胺（HAPM）相比，更易在油水界面聚集，增強油水界面膜厚度，乳狀液穩定性更強，且黏土礦物、調剖產出物和酸化返排液均會削弱破乳劑的脫水性能。

陸地油田同樣存在聚驅產出液油水分離問題。嚴峰等［9-10］研究了勝利油田聚合物驅油體系中的原油乳狀液性質，發現勝利油田坨28 原油中含28.5%膠質、3.9%瀝青質，與海上聚驅油田較為相似，瀝青質和膠質是含聚乳狀液穩定的關鍵因素；AP-P4 比HPAM 更易形成黏彈性界面膜，乳狀液的Zeta電位約為-40 mV，大大高于HPAM形成的乳狀液，導致油水分離難度增大。這一觀點與魏強［6］的較為相似。

1.2 海上聚驅油田破乳劑研究進展

為了提升海上聚驅油田油水分離效果，在海上油田聚合物驅實施初期國內學者就進行了大量破乳劑室內研究和礦場試驗工作。檀國榮等［11-12］發現AP-P4 形成的油水乳狀液穩定性強，油田在用的破乳劑為嵌段聚醚與二異氰酸酯交聯所得的聚氨酯類破乳劑，加注濃度高、脫水效果不佳；而具有線型多分支結構的丙烯酸改性高分子破乳劑脫水效果更為突出，破乳機理主要包括頂替或置換、絮凝-聚結、膜擊破、鈍化活性物質等，具有用量低、脫水率高、水質清澈的優點。自2014 年開始，海上油田聚合物注入量大幅增加，油井產出液中聚合物濃度大幅升高、油水乳化程度增大、油井提產后流程處理液量大幅增加、原油停留時間進一步縮短，油水分離難度進一步增大。劉少鵬等［13］研究了如何提高破乳劑在海上聚驅稠油乳狀液中的作用速度和分散效果，合成的多支化酚胺樹脂類嵌段聚醚破乳劑的脫水效果明顯優于長鏈線型結構破乳劑，應用后脫水效果得到明顯提升，藥劑加注量降低48%。翟雪如等［14］合成了SF系列支狀嵌段聚醚破乳劑，發現環氧乙烷（EO）含量過高或過低的嵌段聚醚均不利于原油乳狀液的破乳，而分子量較大的嵌段聚醚交聯后對原油乳狀液的脫水效果無較大提升。殷碩［15］以叔丁基苯酚酚胺樹脂為起始劑與環氧丙烷（PO）和EO共聚，合成多枝狀TB系列嵌段聚醚破乳劑，并用甲苯二異氰酸酯（TDI）對其進行改性。現場評價結果表明，改性后的嵌段聚醚破乳劑對海上稠油油田聚合物驅產出液的分離效果較好。李仲偉［16］指出海上聚驅產出液破乳劑的多支化可增加油水界面處的作用位點，增加苯環數量會提高藥劑與瀝青質和膠質的吸附性，同時增加胺基數量會提升破乳劑與油水界面上酸性基團的作用效果，合成的雙酚A 酚胺樹脂嵌段聚醚破乳劑和四酚基乙烷聚醚破乳劑具有親水親油平衡值（HLB 值）低和脫水率高的特點。王宜陽等［17］分別研究了油田常用的直鏈型破乳劑SP169與支鏈型破乳劑AE121在正癸烷-水界面之間的擴張黏彈性，發現兩種破乳劑均能大幅降低界面膜的擴張模量，SP169 的吸附效果較好，而AE121 的頂替效果更好；而當破乳劑濃度過高時，會導致擴張模量增大，進而產生過度乳化現象。筆者將支鏈破乳劑AE121 作為輔助清水破乳劑與常規破乳劑復配后應用于渤海南堡35-2聚驅油田，可明顯改善分離器水相出口水質，提升水包油型乳狀液脫水效果。

2 海上油田聚驅對污水處理的影響

2.1 海上含聚污水處理存在的問題

面對海上聚驅油田生產污水處理難度大等問題，靖波等［18］對SZ36-1油田含聚污水中的O/W型乳狀液穩定性以及聚合物分子在乳狀液中的穩定機理進行了研究，發現含聚生產污水中穩定的油分主要以O/W型乳化油形式存在，且乳化油的含量占總油分的90%以上，含聚乳狀液是含聚污水難以處理的主要原因。聚合物會導致污水中的乳化油含量明顯增加，污水穩定性更強。蘇延輝等［19］研究了SZ36-1 油田含聚生產污水的黏度、Zeta 電位、界面張力和黏彈性等，發現污水中殘留的聚合物會增加污水黏度，聚合物吸附在油水界面處而增強污水中O/W 型乳狀液的電負性，增加油水界面膜彈性強度，導致含聚污水中的乳狀液穩定性增強。因此，含聚污水中的殘余聚合物對增強污水穩定性起到了關鍵性作用。陳武等［20］研究了污水含油量、固體懸浮物含量和聚合物濃度對JZ9-3油田含聚生產污水Zeta 電位值的影響，發現隨著聚合物濃度增大，帶電懸浮顆粒的電負性增大，而含油量和懸浮顆粒含量對污水Zeta電位的影響較小，污水殘留聚合物是導致含聚污水穩定性強的主要原因。為了快速有效地處理海上油田含聚污水，需投加大量陽離子清水劑來破壞O/W型乳狀液的雙負電層。

陸地油田在處理含聚污水方面積累了多年的現場實踐經驗。吳迪等［21］發現大慶油田三元復合驅采出液中殘余的聚合物和堿性表面活性劑會導致油水乳化程度增大，含聚污水分離難度大。含聚污水中殘余的陰離子型聚丙烯酰胺與油田污水處理常用的陽離子型清水劑發生電性中和反應，導致清水劑加注量不斷增加，同時產生的黏附性油泥堵塞過濾器。對此，吳迪等提出了開發陰離子型或非離子清水劑的思路，發現EO和PO的嵌段共聚物與聚丙烯酸的衍生物Drows-1對含聚污水的除油效果較好，同時能降低濾器的清洗難度。方洪波等［22-23］分析了勝利油田孤東二元復合驅采出液的破乳機理，制備了針對O/W 型乳狀液和W/O 型乳狀液兼具脫水效果的非離子聚醚綜合處理劑ARK-88，大幅降低了油水分離難度，在提升污水處理水質的同時，大幅提高含聚污水中的殘余聚合物保留率，減少聚合物以固體形式析出量，降低了油泥產生量和油泥處理費用，具有可觀的經濟效益。大慶油田與勝利油田在化學驅采出液處理方面取得的成功經驗為海上油田聚驅采出液的處理提供了重要的技術支持。從2012 年至2020 年，渤海油田在聚驅采出液處理技術攻關工作中不斷加大對非離子聚醚類反相破乳劑的開發力度，以緩解聚合物油泥對污水處理流程的影響。

2.2 海上聚驅油田清水劑研究進展

海上注聚油田早期污水處理用清水劑主要為聚合氯化鋁（PAC）、陽離子聚丙烯酰胺（PDAC-AM）、陽離子型二元共聚物P（AM-DMDAAC）、聚二甲基二丙烯氯化銨（PDM）等高分子陽離子聚合物清水劑。在聚驅產出液聚合物濃度較低的情況下，此類陽離子清水劑的凈水效果較好，但會反應生成大量膠結聚合物而堵塞設備和管線，增加設備清洗頻次，降低設備處理效果［24-27］。隨著海上油田聚驅產出液中聚合物濃度不斷升高，常規陽離子聚丙烯酰胺類清水劑投加量大幅增大，季銨鹽型小分子聚胺陽離子清水劑開始出現，雖具有加注濃度低、清水效果突出的特點，但仍然無法避免膠結聚合物油泥的產生［28］。

翟磊等［29-30］合成的兩性清水劑對含聚污水有較好的清水效果，同時避免了因強電性中和作用而產生黏性膠結絮體；對比3種不同類型的清水劑（陽離子型、非離子型和陰離子型）與含聚污水的作用機理，發現陽離子型清水劑主要利用電性中和和吸附架橋作用，生成的絮團為致密的大塊黏性膠結物，絮體上浮速率快；非離子型清水劑主要通過破壞油水界面膜、促進微小油滴聚并，產生的絮體主要以片狀的浮油為主，且絮體較小、上浮速度相對較慢，黏附性弱；而陰離子型清水劑則同時具有油滴聚集和聚并的能力，從而避免藥劑與污水中的殘留聚合物發生電性中和作用，形成的絮體相對松散，但藥劑加注濃度較高。通過對比上述3種類型清水劑的優缺點，翟磊等［31-32］建議海上聚驅油田含聚污水處理用清水劑的開發研究應從非陽離子型清水劑入手，在清水除油的同時，可改善絮體狀態，避免產生黏性污泥，最大化地保留含聚污水中的殘余聚合物。在海上注聚油田中，非離子型清水劑BHQ-402最早應用于LD10-1聚驅油田［33］，并在渤海JZ9-3聚驅油田成功推廣，取得較好的清水效果；但由于BHQ-402 對疏水締合型聚合物驅油產出液的清水效果不佳，未能在SZ36-1油田實現推廣應用。黎奇謀等［34］制備的磁化改性聚醚非離子型清水劑MDMEA 與SZ36-1 油田含聚污水中的界面活性物質發生吸附作用，吸附率大小的順序為：瀝青質＞膠質＞聚合物，并且隨著溫度升高，M-DMEA 分子表面的親油性增強，油滴聚并速率常數增大，有助于提高清水效果。由于非離子型清水劑作用時間較長，而海上油田受平臺空間限制，污水處理流程的停留時間不足，非離子型清水劑在SZ36-1油田的推廣應用仍需進一步研究。

3 海上油田含聚油泥對生產流程的影響

3.1 海上油田含聚油泥產生原因

海上油田在處理含聚污水過程中加入了清水劑以實現快速清水、除油、除懸的目的，而陽離子型清水劑與含聚污水作用后產生了化學性質穩定的黏彈性膠狀油泥，油泥大量聚集，導致生產流程設備和管線堵塞、換熱器換熱效率降低、油水分離設備運行效率下降、回注污水水質不達標，嚴重影響生產流程的正常運行［35-36］。

唐洪明等［37］利用原子力顯微鏡（AFM）和環境掃描電鏡（ESEM）觀察了JZ9-3 油田污水處理流程各節點殘余HPAM 的微觀形貌，如圖1 所示。油井產出液中的殘余聚合物為多層次立體網狀結構，未發生明顯膠結；經破乳劑和反相破乳劑等化學藥劑作用后，生產污水中的聚合物呈線團纏繞狀結構；在經過污水系統各級設備及陽離子型清水劑作用后，殘余聚合物變為黏彈性膠結物。由此可見，油水處理用破乳劑和清水劑對含聚污水中殘余聚合物的絮凝作用會導致聚合物析出，在絮凝沉降過程中將油滴和固體懸浮物聚集，形成大量包裹著污油和聚合物的膠狀固體產物。

圖1 不同污水樣品中HPAM的微觀狀態［37］

陸地聚驅油田同樣存在聚合物油泥堵塞濾網和設備的情況，需要定期進行清罐處理。李美蓉等［38］利用冷場掃描電鏡（SEM）和X 射線光電子能譜（XPS）分析了勝利油田孤島采油廠含聚油泥的結構，發現聚驅產出液中的殘余HPAM與PAC發生絮凝作用而形成具有空間網狀結構的沉淀，并與污水中的懸浮固體顆粒相互纏繞，形成更大的穩定性極強的空間網狀結構，這是造成含聚油泥體系難以處理的主要原因。

3.2 海上油田含聚油泥處理研究進展

海上油田污水處理過程中形成的含聚油泥含油量高、黏性大、穩定性強、處理難度大，嚴重影響平臺生產設備的運行效果。由于海上平臺無法處理含聚油泥，需要依靠船舶運回陸地處理，增加了污油泥的處理成本，同時造成部分可回收原油的浪費。

SZ36-1 油田含聚油泥主要成分為：38.34%水、42.12%原油、1.30%固體無機物、7.42%固體聚合物、10.82%其他固體有機物［39］。胡菲菲等［39］采用熱化學法處理含聚油泥，設計了含聚污油泥的處理工藝流程（見圖2），將含聚油泥在藥劑作用下生產的產物經分離器進行油相、泥水分離，分離出的油相可直接回收，泥水經研磨細化處理后，將細化污泥與AP-P4 聚合物溶液混合制得聚合物驅調剖體系，回注地層期間黏度變化小，抗剪切性強，注入性良好。陳文娟等［40-41］通過物理模擬實驗評價了油泥對污泥-聚合物混合液的驅油效果，得到了最優油泥處理工藝參數。

圖2 含聚油泥回注工藝流程示意圖

4 海上油田聚驅對油水井的影響

4.1 海上聚驅油田地層堵塞原因

渤海SZ36-1 油田自2003 年開始實施AP-P4 驅油提高采收率技術，隨著聚合物溶液注入量逐年增加，注聚井的堵塞問題日趨嚴重、注聚壓力不斷升高。宋愛莉等［42］通過X射線多晶衍射法、掃描電鏡和紅外光譜分析了SZ36-1 油田某注聚井取出的堵塞物，發現堵塞物主要是由有機物和無機物共同組成的膠狀復合垢，同時地層多孔介質中的高價金屬陽離子會與聚合物分子發生交聯反應，形成膠狀物而堵塞地層。陳華興等［43］認為注聚井注入壓力升高的原因主要是聚合物母液與生產污水配伍性不佳，聚合物溶液過濾效果不好，未完全溶解的大顆粒絮團或聚合物“魚眼”注入井下，聚合物在地層中的吸附滯留造成注聚井的近井地帶發生堵塞，建議通過嚴格控制注入水水質和提升聚合物配注系統過濾效果，減少注聚井堵塞的情況。

2019 年，SZ36-1 油田部分受益油井近井地帶、井下篩管處和電潛泵吸入口都發現了含聚堵塞物，由此造成油井產能下降、油井檢泵作業周期縮短，嚴重制約了聚合物驅提高采收率的生產效益。鄒劍等［44］采用多種分析手段研究了注聚井和受益井堵塞物的組成，發現受益油井中的堵塞物主要以無機垢Fe2O3為主，而注聚井中的無機垢主要為CaCO3，注聚井中的有機垢主要為HPAM 在酸性條件下與Fe3+作用后發生配位作用而生成的不溶于水的聚合物交聯物。

4.2 海上聚驅油田油水井解堵方法

渤海油田注聚井解堵方法主要有酸溶蝕法和氧化降解法。酸溶蝕法使用常規酸溶液溶蝕堵塞注聚井的無機物。由于常規酸液對有機堵塞物的溶蝕效果不明顯，通常使用氧化劑降解堵塞地層的有機高分子長鏈，達到解堵的目的［45］。

宋愛莉等［46］利用注聚井解堵劑對聚合物溶液進行降解實驗、對注聚井堵塞物進行溶蝕實驗。室內物模驅替實驗表明，BHJ3-D 解堵劑能有效解決聚驅造成的地層滲透率下降、注聚井壓力升高等問題，在JZ9-3 油田W8-4 井實施解堵措施后，目標層位吸水強度從11.2%升高到38.9%。盧大艷等［47］分析SZ36-1油田、JZ9-3油田和LD10-1油田的注聚井堵塞物發現，3 個油田的堵塞物均為無機垢和有機垢包裹而成的復合垢。室內評價結果表明，由主劑氧化劑、緩蝕酸與助劑組成的復合解堵體系對聚合物的氧化降解效果好。在海上注聚油田進行了多次應用，視吸水指數平均提高了90%，解堵有效期達10個月，具有良好的推廣應用價值。申金偉等［48］通過對比AS解聚劑（主劑為過氧化物）、BJ解聚劑（主劑為惰性氧化物）、復合解聚劑（主劑氧化物、輔劑螯合劑和緩蝕劑）3 種解聚劑對聚合物的降解效果和洗油效果，發現復合解聚劑針對聚合物垢樣有較好的降解作用，同時復合體系具有較高的螯合能力，可以降解由金屬離子與聚合物交聯產生的堵塞物。溫哲華等［49］通過長期跟蹤海上聚驅油田實施解堵增注技術后注聚井注入壓力的變化，發現使用單一的無機酸液或有機氧化解堵劑解堵后吸水指數增加倍數逐漸減少，對復合堵塞物的解堵能力有限。解聚劑體系的評價應同時考慮多種添加助劑的協同作用，從而更好地解決海上油田注聚井的堵塞問題。

5 建議與展望

目前，海上油田含聚產出液處理及污水回注仍然存在諸多急需解決的問題，尤其以SZ36-1油田聚驅產出液處理問題最為突出。需針對海上聚驅油田采出液性質和現有平臺生產工藝流程特點，重點開展以下幾個方面的研究：（1）對聚驅油田中心處理平臺油水處理設備進行針對性改造，提升油水處理設備的處理能力，改造原油換熱器，提升換熱效果，降低清洗頻率；海上注聚油田新建生產處理設施應充分考慮注聚產出液處理所需的油水性質、處理溫度、停留時間、設備清洗頻次等影響因素，同時增加老化油處理流程，保證油水處理效果。（2）海上油田大規模推廣化學驅油體系前應充分考慮驅油用聚合物對產出液油水分離效果的影響，研究開發與驅油體系相配套的油水分離用破乳劑、反相破乳劑和絮凝劑，以降低聚驅產出液中殘余聚合物對流程效果的影響。（3）稠油含聚產出液油水分離用破乳劑的研究方向主要向多支化、多苯環發展，取得了一定成效，建議不斷拓展稠油聚驅破乳劑研究范圍，為解決油水分離提供更多的可行性思路。（4）海上含聚污水處理需要從減少聚合物以固體形式析出為出發點，減少聚合物膠結物對生產設備的影響，加大對清水速度快、清水效果好、與破乳劑協同效果好的反相破乳劑和絮凝劑的開發力度，著重對清水型非離子嵌段聚醚反相破乳劑進行研究，但不局限于該類藥劑。（5）在注聚井和注聚受益油井解堵方面，需充分了解堵塞物的成因，分析堵塞物中無機物和有機物的組成，針對無機+有機復合型堵塞物應采用復合型解堵劑，提升解堵劑對堵塞物的溶蝕和降解能力，延長解堵有效時間。